彬长矿区水文地质特征及其对煤层气的控制作用

  彬长矿区位于鄂尔多斯盆地西南缘，属陕北黄土高原南部塬梁沟壑区的一部分，具有典型的黄土塬梁、沟壑地貌特征。区内海拔高度一般800~1 200 m，平均降水量为561.3 mm/a，平均蒸发量大于900 mm/a。

 

  地处泾河流域中游地段，泾河支流呈树枝分布，主要有黑河、四郎河等，均常年流水。

 

  矿区内构造较简单，总体为一向西北缓倾的单斜构造，地层倾角一般小于10?。在矿区中南部发育短轴背斜与宽缓向斜，轴向近东—西，自北向南背斜起伏变大。区内断层不甚发育，未发现有岩浆侵入。矿区西北部煤层埋藏深，达1 300 m 左右，东南部埋藏较浅，500 m 左右。

 

  研究区煤炭资源丰富，含煤地层为中侏罗统延安组地层，主采煤层为延安组中下部的4 号煤层，该煤层以长焰煤为主，全区分布较稳定，平均厚度9.91 m，为煤层气的生成及储集提供了充足的条件。

 

  1 矿区含水 隔水层及水力联系

 

  根据地层岩性和地层富水性资料分析，研究区自上而下依次发育的主要含水层有：①第四系孔隙含水层；②新近系小章组下部砂卵砾石含水层；③白垩系洛河组砂岩含水层；④白垩系宜君组砾岩含水层；⑤侏罗系安定组下部砂岩含水层；⑥侏罗系直罗组下部砂岩含水层；⑦侏罗系延安组砂岩含水层；⑧侏罗系延安组4 煤含水层；⑨三叠系胡家村组砂岩弱含水层。

 

  主要隔水层有：①新近系小章组上部红粘土隔水层；②白垩系华池—环河组泥岩隔水层；③侏罗系安定组上部泥岩隔水层；④侏罗系直罗组上部泥岩隔水层；⑤侏罗系延安组顶部泥岩隔水层；⑥侏罗系延安组4 煤顶板泥岩隔水层；⑦侏罗系延安组4 煤底板泥岩隔水层；⑧侏罗系富县组泥岩隔水层。

 

  各含水层间的水力联系一般有两种方式：①含水层之间的垂向渗滤，主要由相关岩层岩性及透水性决定；②含水层之间存在断层连通，主要由断层性质、规模和上下盘含水性决定[1-2]。由于研究区断裂构造几乎不发育，各含水层之间缺乏直接的水力联系通道，含水层之间只能通过垂向的渗滤作用发生水力联系。彬长地区延安组煤系含水层以及可能与煤系地层发生水力联系的几个含水层的水文地质特征如下。

 

  1.1 侏罗系延安组煤系含水层

 

  区内广泛分布，地表未见出露。延安组含水层包括4 煤含水层和砂岩含水层。砂岩含水层岩性主要为中—粗粒砂岩。据钻孔抽水试验：单位涌水量0.000 046~0.103 6 L/s·m，富水性弱而不均一；水质类型以SO4·Cl—Na 型为主，东南部为Cl—Na 型；矿化度6.192~15.79 g/L，向东南部矿化度值逐渐增大。

 

  主要隔水层有：①新近系小章组上部红粘土隔水层；②白垩系华池—环河组泥岩隔水层；③侏罗系安定组上部泥岩隔水层；④侏罗系直罗组上部泥岩隔水层；⑤侏罗系延安组顶部泥岩隔水层；⑥侏罗系延安组4 煤顶板泥岩隔水层；⑦侏罗系延安组4 煤底板泥岩隔水层；⑧侏罗系富县组泥岩隔水层。

 

  各含水层间的水力联系一般有两种方式：①含水层之间的垂向渗滤，主要由相关岩层岩性及透水性决定；②含水层之间存在断层连通，主要由断层性质、规模和上下盘含水性决定[1-2]。由于研究区断裂构造几乎不发育，各含水层之间缺乏直接的水力联系通道，含水层之间只能通过垂向的渗滤作用发生水力联系。彬长地区延安组煤系含水层以及可能与煤系地层发生水力联系的几个含水层的水文地质特征如下。

 

  1.1 侏罗系延安组煤系含水层

 

  区内广泛分布，地表未见出露。延安组含水层包括4 煤含水层和砂岩含水层。砂岩含水层岩性主要为中—粗粒砂岩。据钻孔抽水试验：单位涌水量0.000 046~0.103 6 L/s·m，富水性弱而不均一；水质类型以SO4·Cl—Na 型为主，东南部为Cl—Na 型；矿化度6.192~15.79 g/L，向东南部矿化度值逐渐增大。

 

  1.2 侏罗系直罗组下部砂岩含水层

 

  出露于矿区东南部。含水层岩性为中—粗粒砂岩。据钻孔抽水试验： 单位涌水量0.000 022~0.002 L/s·m，富水性极弱；水质类型以SO4—Na 为主，向东南部过渡为Cl—Na 型(如图4)；矿化度5.531~20.45 g/L。

 

  1.3 侏罗系安定组下部砂岩含水层

 

  出露位置与安定组基本一致。含水层岩性为中粗粒砂岩。据钻孔抽水试验：单位涌水量0.000 037~0.000 076 L/s·m，富水性极其微弱；水质类型SO4—Na 型；矿化度2.37~3.38 g/L。

 

  1.4 白垩系宜君组砾岩含水层

 

  宜君砾岩含水层段主要出露于火石咀、朱家湾及南沟等矿区南部及外围地段。岩性为浅紫色、紫灰色块状砾岩。据钻孔抽水试验：单位涌水量0.008 8~0.145 L/s·m，富水性极弱—弱；水质类型SO4—Na 型；矿化度2.59~5.39 g/L。

 

  1.5 白垩系洛河组砂岩含水层

 

  洛河砂岩含水层全区均有分布。主要出露于泾河亭口以东河谷及其支沟。岩性以紫红色—暗紫色中、粗粒砂岩为主，砾岩、砂砾岩次之，泥岩、砂质泥岩少见。据钻孔抽水试验结果：单位涌水量0.018 2~1.130 3 L/s·m，富水性中—强；水质多为SO4—Na 型；矿化度0.93~5.10 g/L。

 

  通过比较各含水层的矿化度和水质类型，易见延安组煤系含水层比洛河组、宜君组、安定组含水层的矿化度都明显偏大，而且在水质类型上有明显不同。由此判断，延安组煤系含水层与洛河组、宜君组、安定组含水层不具明显水力联系。

 

  而与直罗组含水层相比，矿化度值范围虽然相似，但在矿化度高低分布和水质类型分布情况有明显区别。从矿化度值的平面分布上看，在详查区西北部地区，直罗组含水层矿化度为20 g/L 左右，矿化度向矿区东南部变小，而延安组含水层矿化度略大于10 g/L，矿化度向东南部大佛寺向斜区逐渐增大；从水质类型看，延安组含水层以SO4·Cl—Na 型为主，而直罗组含水层以SO4—Na 型为主。由上说明，延安组煤系含水层与直罗组含水层水化学特征存在明显差异，两含水层之间也不具明显水力联系。

 

  2 矿区含水层水的径流补给及排泄特征

 

  矿区延安组煤系含水层水，赋存于倾向NW 呈缓波状起伏的单斜构造之中，系区域性承压水斜地之东南翼组成部分，向斜西北翼为鄂尔多斯盆地西缘地区，地势相对东南翼较高。矿区延安组含水层水位标高为800~1 100 m，在矿区西北部水位最高，向东南部逐渐降低，至东南部最低(如图5)，在东南部形成水势“低洼带”，地下水向矿区东南部水势低洼带汇聚。

 

  延安组地层在矿区内未见出露，在研究区内基本不直接接受大气降水的补给；而延安组含水层与其他含水层不具明显水力联系，补给主要来源为矿区外四周相邻的延安组含水层的侧向径流补给。

 

  由于彬长矿区断裂构造不发育，煤系含水层不与其他含水层构成联系，矿区内煤矿开采过程中的疏、排水为延安组含水层的主要排泄方式。

 

  3 矿区地下水动力分区

 

  随着埋深的增加，水中矿物质溶解度低者先沉积，表现为HCO?3 ，SO2?4 ，Cl?的沉积顺序，即近地表为低矿化度的HCO?3 ，水流活跃；向下为中矿化度的SO2?4 型水，水流趋缓；更深为高矿化度的Cl?型水，水流趋于停滞。因此，通过地下水位变化和水中离子的状况可以判断地下水的水动力强弱[3-4]。

 

  根据矿区延安组含水层的水动力相对强弱情况将彬长矿区延安组含水层分为侧向径流补给区、弱径流区和相对滞流区3 个区。

 

  侧向径流补给区：位于彬长矿区西北角，由于延安组含水层在彬长矿区基本不出露，几乎不接受大气降水补给和其他含水层补给，主要补给来源于矿区外相邻延安组含水层的侧向径流补给，该区地下水水质类型为SO4·Cl—Na 型，矿化度较矿区其他区域小，水流相对较活跃。

 

  弱径流区：矿区除西北角和东南部的广大区域，整体上矿化度较高，水质类型为SO4·Cl—Na 型，径流强度弱。

 

  相对滞流区：矿区东南部大佛寺向斜区域，矿化度大于15.0 g/L，水质类型为Cl—Na 型，区域划分为相对滞流区，该处水流基本处于滞流状态。

 

  4 矿区水文地质条件对煤层气成藏的控制作用

 

  彬长矿区构造简单，断裂构造不发育，延安组煤系含水层与其他含水层之间的泥岩隔水层稳定发育，阻隔了延安组煤系含水层与其他含水层之间的水力联系，使得延安组煤层中的气体不易向其它含水层中逸散，起到良好的盖层作用，使煤层气处于一个相对有利的赋存条件。

 

  延安组含水层中地下水向矿区东南部水势“低洼带”汇聚，地下水的流动携带煤层气沿着水流方向运移，其结果是煤层气向东南部运移，在矿区东南部形成有利富集区。

 

  矿区延安组地下水整体上处于较高的矿化度，矿化度呈向东南部地区逐渐升高的趋势；矿区延安组含水层水质类型为以SO4·Cl—Na 型为主，东南部局部地区为Cl—Na 型。由此说明整体上延安组地下水流动较缓慢，对煤层气的保存有利，而位于矿区东南部的相对滞流区最有利于煤层气的保存[8-10]。

 

  研究区含气量在0.12~6.34 m3/t，中部煤层气含量基本大于3 m3/t，向边缘煤层气含量降低，中部的向斜区以及背斜间的区域煤层气含量相对较高，一般高于4 m3/t，在矿区东南部亭南—大佛寺地区有大于5 m3/t 的异常高值。含气量最好的区域恰好是水文条件最有利的煤层气富集区域，说明水文地质条件是矿区煤层气成藏的重要因素。

 

  5 结 论

 

  a. 彬长矿区构造简单，断裂构造不发育，含水层之间泥岩隔水层稳定分布，延安组煤系含水层与其他含水层之间不具明显水力联系，有利于煤层气的保存。

 

  b. 矿区延安组含水层补给主要来源为矿区外四周相邻的延安组含水层的侧向径流补给，在矿区东南部形成水势“低洼地”，延安组含水层中地下水向东南部亭南—大佛寺地区汇聚，地下水的流动携带煤层气向东南部聚集。

 

  c. 矿区延安组地下水整体上处于较高的矿化度，水质类型为以SO4·Cl—Na 型为主，东南部局部地区为Cl—Na 型。由此说明整体上延安组地下水流动较缓慢，对煤层气的保存有利，而位于矿区东南部的相对滞流区最有利于煤层气的保存。

 

  d. 彬长矿区东南部亭南—大佛寺地区煤层气富集条件最好，且含气量最高，是进行煤层气开发的优选区。